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基于Mohr-Coulomb准则的黏弹-塑性海冰动力学本构模型 总被引：10，自引：1，他引：10
针对中小尺度下海冰动力作用过程中的漂移、重叠和堆积特征,在连续介质力学基础上建立了一个黏弹塑性海冰动力学本构模型.该模型主要包括四部分,即海冰在屈服前的Kelvin Vogit黏弹模型、海冰塑性屈服的Mohr Coulomb准则、屈服后相关联的正交流动法则和影响海冰强度的静水压力.采用黏弹塑性本构模型对规则海域内的海冰堆积过程进行了数值试验,其结果与传统黏塑性模型、改进的黏塑性模型和经典冰坝理论的解析解相符,可合理地模拟海冰堆积的动力过程.为进一步检验该黏弹塑性本构模型的适用性,对渤海海冰的动力过程进行了48h的数值模拟,计算结果与海冰卫星遥感现场观测资料一致.通过与传统的黏塑性和改进的黏塑性模型结果的对比分析,进一步验证了黏弹塑性模型在中小尺度海冰动力学模拟中的可靠性.在以上海冰堆积的数值试验和渤海海冰动力学模拟中均采用了光滑质点流体动力学(SPH)方法. 相似文献
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海冰单轴压缩强度是寒区海洋工程中的一个重要设计参数,也是影响海冰动力学行为的主要因素。在2008-2012年间的三个冬季,对渤海沿岸的海冰单轴压缩强度进行了现场与室内试验,由此分析了其在温度、卤水体积和应力率下的基本特征。测试结果表明,海冰单轴压缩强度与其温度呈幂函数关系,与卤水体积平方根呈指数关系,与应力率呈线性关系。此外还分别在不同温度与卤水体积下确定了海冰单轴压缩强度上包络限的变化规律。最后,综合考虑卤水体积和应力率的影响,对海冰单轴压缩强度分布特征进行了分析。以上研究有助于揭示渤海海冰基本力学性质,为冰区结构设计和海冰动力学分析提供参考依据。 相似文献
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为确定海冰温度、卤水体积等因素对海冰弯曲强度的影响,本文对辽东湾东岸海域的平整冰进行了现场取样,并在试验机压头加载速率为0.1 mm/s的情况下进行了三点弯曲试验.试验结果表明,海冰试样在-35～-5 ℃温度范围内呈现出三种不同的破坏模式,主要表现为海冰弯曲断裂时裂纹形状的差异.当温度在-15～-10℃之间时,海冰试样多表现为断裂面粗糙的韧性破坏模式,部分试样在主裂纹扩展过程中伴随有次生裂纹的衍生;当温度低于-15℃时,海冰试样多表现为脆性破坏,具有一条由下至上的完整光滑断裂面;而二次破坏的温度与脆性破坏、韧性破坏的温度均有交叉,分布于-20～-5 ℃之间,试验结果呈现上部粗糙下部光滑的断裂面.对海冰的应力分析表明,不同破坏模式下的弯曲强度值呈阶梯分布,海冰发生脆性破坏时的弯曲强度要高于其他两种破坏模式,发生韧性破坏时的弯曲强度最小.在不同断裂模式下,海冰的弯曲应力达到最大值后的下降趋势有明显差异,韧性断裂时弯曲应力下降缓慢,脆性破坏时则突然下降为0,而二次破坏应力突然下降后仍以较小的值缓慢下降至接近于0.最后,本文还讨论了海冰弯曲强度与卤水体积的对应关系,结果与其他相关文献具有很好的一致性.以上研究有助于更好地理解海冰的力学性质,为极地船舶与海洋工程结构抗冰设计提供参考依据. 相似文献
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卤水体积和应力速率影响下海冰强度的统一表征 总被引：1，自引：1，他引：0
无论在地球物理尺度下研究海冰的动力学演化特性,还是在工程结构尺度下分析海冰与海洋结构物的相互作用过程,海冰强度均是影响海冰宏观变形和细观破坏规律的重要力学参数。本文通过对渤海海冰物理力学性质的现场和室内试验,分析了海冰压缩、弯曲和剪切强度参数与卤水体积、应力速率的对应关系。试验结果表明,海冰强度与卤水体积更好地呈指数关系,与应力速率呈线性关系;在此基础上,本文建立了由卤水体积和应力速率共同表征的海冰强度统一函数关系,为工程领域对海冰强度的选取提供有力的参考依据。 相似文献
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《海洋预报》2021,38(4)
2018—2021年3个冬季期间在渤海辽东湾鲅鱼圈海域沿岸进行海冰单轴压缩试验。采用典型的柱状结构海冰作为试验对象,试验中加载方向垂直于柱状结构冰晶的轴向,应变率选取区间为4.5×10-5～7.5×10-3/s,海冰试样的温度在-3～-33℃之间。每组试验完成后对温度、盐度和密度进行了测量,用于计算每个试验试样的卤水体积。试验结果表明:海冰试样的应变-应力曲线表现出3种典型形式:韧性破坏、单峰值脆性破坏和多峰值脆性破坏。海冰名义压缩强度和卤水体积呈指数关系,应变率影响下的海冰单轴名义压缩强度出现韧性区-过渡区-脆性区的转化过程,在韧性区和脆性区阶段海冰的单轴名义压缩强度和应变率均呈幂函数关系。此外,综合卤水体积和应变率的影响,确定了海冰名义单轴压缩强度在两者共同影响下的变化规律。 相似文献
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应变速率与单轴压缩强度极值的关系在抗冰结构设计与优化中占有重要地位。基于2009年冬季普兰店海域海冰在不同海冰温度(-5°C、-10°C、-15°C)下的压缩强度试验数据,给出各自应变速率—压缩强度散点图。结果表明,海冰在不同加载速率下表现为三种破坏模式,即韧性区、过渡区与脆性区;海冰温度对过渡区对应应变速率范围影响较小,均在6.3×10~(-4)~2×10~(-3)区域附近。结合三段式函数形式,给出不同温度下应变速率—压缩强度极值的曲线拟合结果。依据上述结论,在庄河海域选择应变速率10~(-2)、10~(-3)与10~(-4)进行不同海冰温度(-16°C~-4°C)下单轴压缩强度试验。结果显示:在韧性区,海冰温度与压缩强度极值呈弱负相关;在过渡区,海冰温度与压缩强度极值呈明显线性减小;在脆性区,强度极值相对海冰温度敏感度较低。基于此,在应变速率—压缩强度曲线中提出温度影响系数,这一试验分析方法可推广至其它海域。 相似文献
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剪切强度是海冰的基本力学性质,直接影响到冰区结构物冰荷载的确定以及海冰在动力演变过程中的破坏行为。采用侧限单面剪切试验对渤海莱州湾和黄河口的海冰进行了剪切强度测试,分析了温度、卤水体积、剪切应力率的影响。结果表明,海冰剪切强度随冰温的降低和剪切应力率的增大而呈线性增长,而与卤水体积的平方根呈幂函数降低。在此基础上,综合考虑卤水体积和剪切应力率的影响,对海冰剪切强度进行了双参数拟合,为研究海冰剪切破坏机理提供了参考依据。 相似文献
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北极多年海冰的渡夏与冰脊形成的初始阶段均属于海冰升温的热力学过程。在卤水作用下，海冰在升温过程中需要融化内部的固态冰以达到温盐平衡。为研究海冰升温过程中盐度对宏观热力学性质的影响，本文设计了冰块试样在水中的一维浸没试验。将具有相同初始温度 （-32℃）、不同盐度 （0 ppt, 2.65 ppt, 12 ppt） 的冰试样浸至 0.2 ℃的淡水环境中，并测试试样内部温度场与厚度变化。试验结果表明，高盐度海冰的最终冰厚增加量超过 31%，而淡水冰则仅为 15%。海冰内部卤水的活跃改变了海冰的宏观比热并大幅度提高了其潜在的内能变化量。同时，将内能变化的实测结果与 Schwerdfeger 模型理论计算结果进行了对比。分析得出，真实环境中在海冰卤水迁移引起的盐度不均匀分布与卤水外排使得 Schwerdfeger 模型无法准确描述海冰升温过程中热力学性质。此外，通过对新生冰进行冰晶测试中所观测的柱状结构及晶粒尺寸特征也进一步验证了试验结果的可靠性。 相似文献
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辽东湾S2冰侧限剪切强度的试验研究 总被引：3，自引：0，他引：3
利用试验方法系统地研究了辽东湾S2型海冰侧限剪切强度随剪切应变速率、加载方向、法向应力、温度和冰内孔隙率的变化规律。介绍了S2型海冰各向异性特点及剪切应变速率对剪切破坏方式的效应和韧脆破坏转变的条件。分析了不同加载方向海冰峰值剪切强度的差异 ,获得 - 6 2℃温度下S2冰内摩擦角和内聚力分别为 42°和 70 0kPa。利用统计分析给出峰值剪切强度与冰温和孔隙率的试验关系 相似文献
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基于CryoSat-2数据的2010-2017年北极海冰厚度和体积的季节与年际变化特征 总被引：2，自引：2，他引：0
北极海冰变化影响着全球物质平衡、能量交换和气候变化。本文基于CryoSat-2测高数据和OSI SAF海冰密集度及海冰类型产品，分析了2010-2017年北极海冰面积、厚度和体积的季节和年际变化特征，结合NCEP再分析资料探讨了融冰期北极气温异常和夏季风异常对海冰变化的影响。结果表明，结冰期海冰面积的增加量波动较大，海冰厚度的增加量呈明显下降趋势。融冰期海冰厚度的减小量波动较大，2013年以后融冰期海冰面积的减小量逐年增加。海冰体积的变化趋势和面积变化更相似，融冰期的减小速率大于结冰期的增加速率。融冰期北极海表面大气温度异常与海冰融化量正相关。夏季风影响海冰的辐合和辐散，在弗拉姆海峡海冰的输运过程中起关键作用，促进了北冰洋表层水向大洋深层的传输。 相似文献
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北极中央区海冰密集度与云量相关性分析 总被引：2，自引：0，他引：2
本文使用海冰密集度以及低云、中云、高云的日平均数据,借助滑动相关分析方法,研究了北极中央区海冰密集度与云量之间的相关性,分析了海冰与云的相互作用机制。研究表明,在春季海冰融化季节(4、5月)、秋季海冰冻结季节(10、11月),低云与海冰密集度之间表现为较好的负相关,表明在这段时间内冰区海面蒸发强烈,对低云的形成有重要贡献。在10月和11月,中云与海冰密集度也有很好的负相关,表明秋季低云可以通过抬升形成中云。高云与海冰密集度之间并没有明显的相关性,可能原因:一方面海冰的空间分布对高云无影响,另一方面,高云主要影响到达的短波辐射,从而影响海冰的融化和冻结速度,与海冰厚度有直接显著的关系,而与海冰密集度的关系不明显。此外,在海冰密集度与低云存在较好负相关的情况下会出现某些年份相关性不好的情况,我们的研究发现这是北极中央区与周边海区发生了海冰交换或云交换的结果。 相似文献
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本文详细介绍了SIS海冰模式中引进两种盐度参数化方案即等盐度方案和盐度廓线方案对海冰模拟所存在的差异。利用盐度廓线方案导出的表征盐度与海冰温度间关系的方程比等盐度方案多出一项,将定义为盐度差异项。盐度差异项对海冰厚度的热力作用表现为：在海冰厚度增长季节（11月到次年5月）,盐度差异项通过升高海冰内部温度,抑制海冰增长;在消融的第一阶段（6．8月）,盐度差异项通过升高海冰内部温度加快海冰消融;在消融的第二阶段（9．10月）,盐度差异项通过降低海冰内部的温度抑制海冰消融。但尺度分析表明,盐度差异项要比方程中队海冰温度作用最大项小1．2个量级,如果采用一级近似,可以略去盐度差异项,因此盐度差异项对海冰增长和消融影响很小。同时利用冰洋耦合模式（ModularOceanModel,MOM4）,分别采用两种盐度参数化方案模拟北极海冰厚度和海冰密集度的季节性变化,模拟结果也表明两种方案模拟得到的海冰厚度和海冰密集度的季节性变化相差甚小。 相似文献
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基于广义接触模型的离散元方法及其对船体冰载荷的分析 总被引：1，自引：1，他引：0
冰载荷是影响船舶结构安全的主要环境载荷,因而确定破冰船的冰载荷特征可用于船体结构设计及船舶安全预警分析。海冰作为典型的脆性材料,可采用单元间具有黏结失效效应的离散元方法模拟其破碎行为。为有效地模拟海冰破碎的渐进过程,采用由局部黏结点组成黏结单元的广义接触模型。为分析该模型中直接决定黏结单元失效的强度参数的影响,采用海冰单轴压缩和三点弯曲试验数值模拟进行分析。通过模型试验确定了失效模型中法向黏结强度、切向黏结强度和Mohr-Coulomb准则中的接触摩擦系数的影响。将该数值模型应用于极地科学考察船"雪龙号"的平整冰区冰载荷分析中,并与船舶整体冰阻力经验公式进行了对比验证。 相似文献
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CICE海冰模式中融池参数化方案的比较研究 总被引：1，自引：1，他引：0
冰面融池的反照率介于海水和海冰之间,获得较准确的融池覆盖率对认识极区气冰海耦合系统的热量收支有重要意义。在数值模式中,融池覆盖率的模拟结果直接影响到冰面反照率计算的准确性,本文对CICE5.0中的3种融池参数化方案进行了较系统的比较分析,结果显示3种方案各有优缺点,模拟结果都存在一些问题。cesm方案中判断融池冻结的条件更为合理。比较而言,融池冻结条件更改后的topo方案模拟的北冰洋区域平均融池覆盖率的年际变化幅度、融池覆盖范围、融池发展盛期持续时间与MODIS数据最接近。通过修改CICE5.0中的代码漏洞,研究了融池水的垂向渗透效应,这一效应会带来一些负面影响,如lvl方案中多年冰上几乎没有融池,说明目前的CICE模式中对于海冰渗透性演化或其他物理机制的处理仍有待改进。最后,着重讨论了topo方案的改进思路。 相似文献
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本文系统地评估了国家海洋环境预报中心于我国第七次北极科学考察期间开展的北极海冰密集度数值预报结果。该预报系统基于麻省理工大学通用环流模式，并采用牛顿松弛逼近（Nudging）资料同化方法，计算输出未来1~5 d的北极海冰密集度预报产品。本文将数值预报结果同卫星观测的海冰密集度、再分析资料和"雪龙"号第七次北极考察期间观测的海冰密集度数据进行了对比分析。结果表明，预报的北极海冰密集度小于卫星观测值，24 h、72 h和120 h预报结果的偏差分别为-2.7%、-3.1%和-3.2%；数值产品的预报技巧好于气候态结果和惯性预报，但是在海冰出现快速融化或冻结时，基于Nudging同化的数值预报技巧仍有不足。另外，相比船测数据，数值预报结果在海冰边缘区的偏差相对较大，24 h、72 h和120 h预报结果的偏差分别为8.8%、12.0%和14.5%。 相似文献
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The coupled ice-ocean model for the Bohai Sea is used for simulating the freezing, melting, and variation of ice cover and the heat balance at the sea-ice, air-ice, and air-sea interfaces of the Bohai Sea during the entire winter in 1998～1999 and 2000～2001. The coupled model is forced by real time numerical weather prediction fields. The results show that the thermodynamic effects of atmosphere and ocean are very important for the evolvement of ice in the Bohai Sea, especially in the period of ice freezing and melting. Ocean heat flux plays a key role in the thermodynamic coupling. The simulation also presents the different thermodynamic features in the ice covered region and the marginal ice zone. Ice thickness, heat budget at the interface, and surface sea temperature, etc. between the two representative points are discussed. 相似文献
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A coupled ice-ocean model for the Bohai Sea Ⅱ. Case study 总被引：1，自引：0，他引：1
The coupled ice-ocean model for the Bohai Sea is used for simulating the freezing, melting, and variation of ice cover and the heat balance at the sea-ice, air-ice, and air-sea interfaces of the Bohai Sea during the entire winter in 1998-1999 and 2000-2001. The coupled model is forced by real time numerical weather prediction fields. The results show that the thermodynamic effects of atmosphere and ocean are very important for the evolvement of ice in the Bohai Sea, especially in the period of ice freezing and melting. Ocean heat flux plays a key role in the thermodynamic coupling. The simulation also presents the different thermodynamic features in the ice covered region and the marginal ice zone. Ice thickness, heat budget at the interface, and surface sea temperature, etc. between the two representative points are discussed. 相似文献
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北极海冰输出研究综述 总被引：1，自引：1，他引：0
北极海冰对全球气候变化起重要的指示作用。除了海水冻结和融化过程以外,通过弗拉姆海峡(Fram Strait)的海冰输出也是影响北极海冰质量变化的重要动力机制。观测数据中的多源卫星遥感数据(尤其是辐射计观测数据)在获取大尺度连续观测方面具有独特的优势,在研究北极海冰输出面积通量变化方面有着广泛应用。本文总结了北极弗拉姆海峡、其他通道(S-FJL、FJL-SZ、加拿大群岛、Nares海峡通道)海冰输出面积或体积通量,着重介绍了弗拉姆海峡不同年龄海冰输出情况,并总结和分析了影响北极海冰输运的大尺度大气活动模态。最后,本文阐明北极海冰输出方面现有研究的不足之处以及未来的突破方向。 相似文献
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一种冰-海洋模式的热力耦合方案 总被引：3，自引：1，他引：3
冰与海洋的热力耦合对冰与海洋环流的模拟有极其重要的影响,是冰-海洋相互作用的一个重要方面.对其精确确定需要详细考虑冰-海洋界面附近的湍流过程,这在长时期的模拟特别是气候模拟中,常受到技术条件的限制.过去的研究常常假设冰下海洋混合层的温度为冰点,特别是在单纯冰模式的模拟中,但考虑海冰漂移和冰点变化的效应时,这一假设是不精确的.因此,弱化冰下海洋混合层温度为冰点的约束,不考虑详细的冰-海洋界面和海洋混合层的湍流过程,根据冰-海洋耦合系统的能量收支关系,设计了一个简化的冰-海洋热力耦合方案.对该方案引起的海洋混合层适应、热力结构和海冰发展的影响进行了分析,并将其用于全球冰海洋耦合模式的数值试验,结果表明,在大气热力强迫下该耦合方案既可使冰区混合层海水温度向冰点适应,又使冰边缘带海水温度与冰点保持明显差异,能够较好地反映冰-海洋热力相互作用.利用该耦合方案构造的全球冰-海洋耦合模式模拟的海冰范围及季节变化与实际观测非常接近. 相似文献